물리학자들, 중성자의 수명을 결정했다.

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-10-16 10:31:10
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- 중성자 붕괴해 양성자, 전자, 반중성미자로 변하는 데 평균 약 877.75초가 걸린다.
- 중성자 수명을 측정하는 것은 우리 우주가 어떻게 진화했는지 밝힐 수 있어 중요

중성자의 수명을 결정
새로운 측정은 표준 모델의 중요한 매개변수를 더욱 제한한다.


물리학자들은 자유 중성자의 수명 동안 지금까지 가장 정확한 값을 결정했다. 이 값은 물리학의 표준 모델에 결정적인 값이다. 이에 따르면 전하를 띠지 않은 입자가 붕괴해 양성자, 전자, 반중성미자로 변하는 데 평균 약 877초가 걸린다. 이 붕괴 기간을 아는 것은 초기 우주의 원소 분포에 대한 중요한 정보를 제공하고, "새로운 물리학"을 위한 공간을 더욱 좁힌다. 

▲ 물리학자들은 이 장치를 사용해 자유 중성자의 수명을 그 어느 때보다 직접적이고 정확하게 측정했다.

© Los Alamos National Lab / Michael Pierce


양성자와 마찬가지로 중성자는 물질의 핵심 구성 요소 중 하나다.
둘 다 함께 원자핵을 형성한다. 동시에 중성자는 붕괴와 원소 및 원소 동위원소 형성에 중요한 역할을 한다. 그들의 행동은 중성자별의 구성이나 초기 우주의 원소의 풍부함과 같은 근본적인 천체 물리학 및 우주론적 질문과 관련이 있다. 중성자는 원자력, 핵융합로 및 핵폐기물 처리에도 중요하다.

"자기(magnetism, 磁氣)-욕조"에서 중성자 붕괴

그러나 자유로운 중성자는 원자핵 외부에 무한정 남아 있지 않다. 이것은 양성자로 붕괴돼 전자와 반중성미자를 내보낸다. “중성자 수명을 측정하는 것은 우리 우주가 어떻게 진화했는지 밝힐 수 있어 중요하다. 또한 우리의 아원자 우주 모델이 어디에서 결함이 있는지 보여줄 수 있다”고 공동 저자인 인디애나 대학의 다니엘 살바트(Daniel Salvat)가 설명했다.

▲ 다운 쿼크 2개와 업 쿼크 1개로 구성된 중성자

© Name / CC-by-sa 4.0

그러나 지금까지 자유 중성자의 수명에 대해 상반된 결과가 있었다.

이러한 불일치를 없애기 위해 Salvat, 그의 동료 프란시스코 곤잘레즈(Francisco Gonzalez) 및 그들의 팀은 최근 새로운 방법을 사용해 자유로운 중성자의 수명을 다시 측정했다. 이를 위해 그들은 먼저 Los Alamos 국립 연구소에서 중수소 공급원을 사용해 초저온 중성자를 생성했다.

이 자유 중성자는 균일한 스핀을 받은 다음 일종의 자기 "욕조"에 갇힌 상태로 유지됐다. 일정한 간격으로 몇 개의 검출기가 남아 있는 중성자 수를 독립적으로 결정했다.

무의식적 편의(偏倚, bias)에 대한 대책


2년에 걸쳐 연구자들은 약 4천만 개 중성자의 거동을 측정할 때까지 이 실험을 반복했다.
물리학자들은 평가가 가정에 의해 왜곡되지 않았는지 확인하기 위해 독립적으로 작업하는 세 팀으로 나눴다. 또한, 각 그룹에 대한 측정 시간은 그들에게 알려지지 않은 균일한 크기로 위조되었다.

"의식적이든 무의식적이든 예상 시간에 결과를 조정할 수 없기 때문에 결과를 더 신뢰할 수 있다"고 캘리포니아 공과 대학(California Institute of Technology)의 공동 저자인 브래드 필립폰(Brad Filippone)이 설명한다. “따라서 우리는 실제 측정된 시간을 알지 못하고 '맹검'을 하고 나서야 알아냈다.”
이러한 예방 조치에도 불구하고 세 팀 모두 결과적으로 거의 동일한 값에 도달했다.

일정량의 가치를 유지하는새로운 측정값 

그 결과 물리학자들은 중성자의 수명을 그 어느 때보다 정확하고 공정하게 결정하는 데 성공했다. 그들의 측정에 따르면 자유 중성자는 붕괴되기 전에 약 877.75초 동안 지속된다. 인디애나 대학의 데이빗 박스터(David Baxter)는 “이 연구는 근본적인 물리적 중요성을 측정하기 위한 새로운 표준을 수립했다”고 말했다.

연구원들은 통계 및 방법론적 불확실성으로 인한 편차를 0.039%로 설정했다.
Gonzalez와 그의 동료들은 "이것은 이론적인 작업에서 예측한 0.09%보다 적은 불확실성으로 중성자 수명을 결정할 수 있는 최초의 실험"이라고 말했다. "이것은 표준 모델에서 가능한 불확실성을 보여줄 만큼 정확한 첫 번째 측정이다.“

표준 모델에 대한 테스트

표준 모델에서 예측된 입자 거동의 약간의 편차와 그에 따른 붕괴도 감지되지 않은 물리적 프로세스 또는 입자가 있다는 표시일 수 있기 때문이다. 소위 Cabibbo-Kobayashi-Maskawa 매트릭스(CKM 매트릭스)의 표준 모델은 쿼크(중성자와 양성자의 기본 구성 요소)가 상호 작용을 통해 다른 쿼크로 변환될 수 있는 비율을 지정한다.

새로운 측정 결과는 이제 CKM 매트릭스의 예측을 확인하거나 반박하는 데 도움이 될 수 있다. "우리가 측정한 중성자의 수명은 이 질문에 대한 독립적인 조사를 가능하게 한다"고 Salvat는 설명했다. 중성자가 암흑 물질로 붕괴하는 것과 같은 신비한 가설도 확인하고 좁힐 수 있다.
(Physical Review Letters, 2021년 미국 물리학회 추계학술대회)
출처: 미국 물리 학회, 캘리포니아 공과 대학

(Physical Review Letters, accepted; 2021 Fall Meeting of the American Physical Society)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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